(57)【要約】【課題】  垂直軸風車を利用する風力発電装置に於いて、風力を安定化させ、効率よく風力発電を行うことができるようにすること。【解決手段】  垂直軸風車１と、その上下面に近接して、相互に平行に配した上下の整流板２、３と、上下の整流板２、３の外縁部から放射外方に延長したドーナツ状の導風板２ａ、３ａであって、上方の整流板２から上向き傾斜状態に、下方の整流板３から下向き傾斜状態にそれぞれ延長した導風板２ａ、３ａと、垂直軸風車１の出力軸である回転軸６の回転力で回転駆動される発電機４であって、下方の整流板３を支持するハウジング１５の底部に配した発電機４と、上下の整流板２、３を所定の間隔に保持する間隔保持材９、９…とで構成したものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間に位置する一基以上の垂直軸風車と、
該垂直軸風車の上下面に近接して位置し、相互に平行で、その各外縁部が該垂直軸風車の投影部より外方に位置する上下の整流板と、
該上下の整流板の外縁部に各々両者の間の間隔が外方に向かって拡開するようにその一方又は双方を傾斜させて配した導風板と、
前記垂直軸風車の出力軸の回転力で回転駆動される発電機と、
で構成した垂直軸風力発電装置。
【請求項２】
前記垂直軸風車が一基であり、前記上下の整流板が円板状であって、該垂直軸風車を該上下の整流板間の中央に位置させた請求項１の垂直軸風力発電装置。
【請求項３】
前記垂直軸風車が複数基であり、前記上下の整流板が角部を丸めた多角形板状であって、該複数の垂直軸風車を該上下の整流板間に平均した位置関係で配置した請求項１の垂直軸風力発電装置。
【請求項４】
前記上下の整流板の下方に配した筒状温室であって、下方に空気の導入口を、上方に空気の吐出口を、それぞれ開口した筒状温室と、該筒状温室の上下方向途中に配した補助風車であって、太陽熱によって加温され該筒状温室を上昇する上昇気流によって回転させられる補助風車と、該補助風車の回転力を前記垂直軸風車の回転軸に伝達する回転伝達部とで構成した補助回転駆動手段を付設した請求項１、２又は３の垂直軸風力発電装置。
【請求項５】
前記上下の整流板の内の上方のそれの上面に太陽電池パネルを設置し、風力発電に加えて太陽電池発電を可能にした請求項１、２、３又は４の垂直軸風力発電装置。
【請求項６】
前記垂直軸風車が、パドル形風車、ダリウス形風車、クロスフロー形風車、サボニウス形風車、Ｓ形ローター、ジャイロミル形風車の中から選択されたいずれかの風車である請求項１、２、３、４又は５の垂直軸風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パドル形風車、クロスフロー形風車、ダリウス形風車、サボニウス形風車などの垂直軸風車を使用する垂直軸風車発電装置に関し、特に風の保有エネルギーを効率よく利用して発電するための垂直軸風車発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力を動力として利用する技術は水車と並んで古い歴史があるが、近年、クリーンエネルギーの利用の一環として風力発電技術が注目されている。風力発電を行う風車には、プロペラ形風車、多翼形風車のような水平軸風車とパドル形風車、クロスフロー形風車、サボニウス形風車、或いはダリウス形風車のような垂直軸風車とがある。業務用の大形風力発電用風車としてはプロペラ形風車に代表される水平軸風車が多く利用されている。
【０００３】
このような水平軸風車による風力発電は、主に海岸地方や高台など強風の期待できる地点に多数設置してウィンドウファームを形成する例が多い。特にプロペラ形風車は、航空機のプロペラの研究から派生している技術が多く利用され、技術的には最も進んだ状態にあるが、ブレードの加工には高度な金属加工技術が必要となる。
【０００４】
また、水平軸風車は、風車の回転面を常に風上に合わせなければならない上、伝達機構、制御機構及び発電機等の重量物を支持塔の頂部に取り付けなければならない等の欠点もある。これに対して垂直軸風車を利用する場合は、全周囲からの風を受けて回転するため風向に依存しない、重量物を地上又は支持塔中間部に設置できる、更にはブレードの製造がプロペラ形に比べて簡単であるという利点があり、比較的小形の風車設備に利用されている。
【０００５】
いずれの形式の風力発電設備にあっても、風向・風力ともに絶えず微妙に変化している風を有効に利用するために、多くの工夫が凝らされている。水平軸風車を利用する風力発電設備に於いては、風車回転面を風向に常に正対させるための最も簡易な手段として垂直尾翼を利用する構成があるが、これに代えて風向センサーとサーボモータとを使用することにより一層精密な自動方向制御が行なわれるようになって来ている。
【０００６】
他方、風力を有効に利用するためには、先端側の直径が絞られていて後方側の径が拡張されている風洞を用いて、この風洞内に水平軸風車を配設し、後方が低圧となる原理を利用して流動速度を増速する風増速装置及び該装置を用いた風力発電装置が開示されている（特許文献１）。
【０００７】
また風力を可能な限り有効に利用するため、風車の先方側に突き出している部分が拡張された風洞を備え、絞り込まれた風洞出口からの流動空気を水平軸風車の回転翼に衝突させる風力発電設備も開示されている（特許文献２）。
【０００８】
しかし、例えば、プロペラ形のような水平軸形風車に風洞を取り付けることは１ブレードの長さが１０ｍ以上になるものもあり、いずれの場合であれ、空気取り入れ口寸法が数十メートル以上にも及ぶ大形設備となり、これを風向きに対応させて動かすことは実用上極めて困難な問題となる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２‐２１３３４３号公報
【特許文献２】特開平９‐８８８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、垂直軸風車を利用する風力発電装置に於いて、風力を効率的に利用し、かつ安定化させることにより、効率のよい風力発電を行うことができる垂直軸風力発電装置を提供することを解決の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１は、中間に位置する一基以上の垂直軸風車と、
該垂直軸風車の上下面に近接して位置し、相互に平行で、その各外縁部が該垂直軸風車の投影部より外方に位置する上下の整流板と、
該上下の整流板の外縁部に各々両者の間の間隔が外方に向かって拡開するようにその一方又は双方を傾斜させて配した導風板と、
前記垂直軸風車の出力軸の回転力で回転駆動される発電機と、
で構成した垂直軸風力発電装置である。
【００１２】
本発明の２は、本発明の１の垂直軸風力発電装置に於いて、前記垂直軸風車が一基であり、前記上下の整流板が円板状であって、該垂直軸風車を該上下の整流板間の中央に位置させたものである。
【００１３】
本発明の３は、本発明の１の垂直軸風力発電装置に於いて、前記垂直軸風車が複数基であり、前記上下の整流板が角部を丸めた多角形板状であって、該複数の垂直軸風車を該上下の整流板間に平均した位置関係で配置したものである。
【００１４】
本発明の４は、本発明の１、２又は３の垂直軸風力発電装置に於いて、前記上下の整流板の下方に配した筒状温室であって、下方に空気の導入口を、上方に空気の吐出口を、それぞれ開口した筒状温室と、該筒状温室の上下方向途中に配した補助風車であって、太陽熱によって加温され該筒状温室を上昇する上昇気流によって回転させられる補助風車と、該補助風車の回転力を前記垂直軸風車の回転軸に伝達する回転伝達部とで構成した補助回転駆動手段を付設したものである。
【００１５】
本発明の５は、本発明の１、２、３又は４の垂直軸風力発電装置に於いて、前記上下の整流板の内の上方のそれの上面に太陽電池パネルを設置し、風力発電に加えて太陽電池発電を可能にしたものである。
【００１６】
本発明の６は、本発明の１、２、３、４又は５の垂直軸風力発電装置に於いて、前記垂直軸風車として、パドル形風車、ダリウス形風車、クロスフロー形風車、サボニウス形風車、Ｓ形ローター、ジャイロミル形風車の中から選択されたいずれかの風車を採用したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の１の垂直軸風力発電装置によれば、用いられている風車が垂直軸風車であるため、水平の全方向の風に対して問題なく対応し、頻繁に風向きの変わる風であってもこれを良好に回転力に変換することができるものであるが、更に上下の整流板の外縁部から外方に向かってそれぞれその間を拡大する方向にその一方又は双方を傾斜させた導風板を構成したものであるため、より広い範囲の風を整流板の間に導いて増速させ、かつ風の流れを該整流板の間で整流して該垂直軸風車の回転翼に効率よく衝突させることができるものでもある。導風板は、更に上下斜め方向から吹く風も又整流板の間に導き、これらの風も同様に整流板の間で整流して該垂直軸風車の回転翼に効率よく衝突させることができるものである。そのため、その周辺の風力が若干小さくても、或いは風の向きが若干上向き又は下向きのものであっても該垂直軸風車からより大きな動力が得られ、安定した風力発電に寄与することができる。
【００１８】
本発明の２の垂直軸風力発電装置によれば、一基の垂直軸風車を用いた場合に、水平全方向からの風を効率的に集めて増速し、かつ整流した上で、その風のエネルギーを低下させることなく、該風車に衝突させ、これを効率的に回転力に変換することができるものである。
【００１９】
本発明の３の垂直軸風力発電装置によれば、複数基の垂直軸風車をより効率的に整流板の間に配してより多くの風力エネルギーを得、これをより大きな電力に変換することができることとなる。
【００２０】
本発明の４の垂直軸風力発電装置によれば、天気の良い日の太陽熱を利用して、これによって上昇気流を生じさせ、そのエネルギーを補助的な回転力に変換することができる。
【００２１】
本発明の５の垂直軸風力発電装置によれば、空いている平面である整流板の上面を利用して風力発電に加えて太陽電池発電を可能にするものである。
【００２２】
本発明の６の垂直軸風力発電装置によれば、種々のタイプの垂直軸風車を自由に利用してこれを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、基本的に、中間に位置する垂直軸風車と、該垂直軸風車の上下面に近接して位置する上下の整流板と、該上下の整流板の外縁部に傾斜させて配した導風板と、前記垂直軸風車の出力軸の回転力で回転駆動される発電機とで構成した垂直軸風力発電装置である。
【００２４】
前記垂直軸風車は、云うまでもなく、風力を回転力に変換する手段であり、これは一基以上のそれで構成することができる。該垂直軸風車は、特定のそれに限定されず、パドル形風車、ダリウス形風車、サボニウス形風車、クロスフロー形風車、Ｓ形ロータ又はジャイロミル形風車等から設置場所の条件その他を考慮して適宜選択して採用することができる。勿論垂直軸風車であればこれ以外のそれを採用することも自由である。
【００２５】
ところで前記パドル形風車は、凹面と凸面とを持つ半球状の風受け部を備えた風車で、ロビンソン風速計として知られている風車である。この風車は、半球状の風受け部の凹面と凸面とに当たる風によって発生する抗力差によって回転する。半球形風受け部の凹面における抗力は凸面のおよそ４倍となる。前記ダリウス形風車は、翼形断面の曲りブレード２枚から３枚を垂直軸に取り付けたもので揚力利用の風車である。この風車は風のもつエネルギーの約３５％を取り出すことができ風力発電用としても適している。
【００２６】
前記サボニウス形風車は、円筒を半分に切った形の風受けバケットを向い合せ中心をわずかにずらして取り付けた構造で、抗力差を利用する風車である。前記クロスフロー形風車は、軸まわりの円周に沿って円弧状の細長い回転翼を多数取り付けたもので、エアコン用送風機のシロッコファンに似た形状の風車である。前記Ｓ形ローターは、Ｓ字形断面となるように湾曲された金属板が垂直軸を中心として取り付けられた風車である。半円筒形の凹形風受け面と反対の凸形面とにおける約２倍の抗力差によって回転する。また前記ジャイロミル形風車は、特殊な垂直軸風車であり、同心円上に対称翼形の直線ブレードを２枚から４枚取り付けたタイプの風車である。
【００２７】
前記上下の整流板は、円板状又は三角形以上の多角板状等に構成することができる。上下の整流板の間に一基の垂直軸風車を配する場合は該整流板は概ね円板状が適当であり、該垂直軸風車は該上下の整流板の中央に位置させるのが適当である。また複数基の垂直軸風車を配する場合は、整流板は角部を丸めた多角形板状が適当であり、該複数の垂直軸風車は該上下の整流板間に平均した位置関係で配置するのが適当である。より具体的には、長方形状又は種々の多角形状で角部を丸めた板材を採用することができる。いずれにしても、上下の整流板は、その外縁部が、その間に配される垂直軸風車の平面から見た投影部より外方に位置する寸法に構成する必要がある。なお上下の整流板は通常相互に同一寸法形状であるのが適当であるが、これに限定されるわけではない。都合によりいずれかを他方より大寸法に構成することも可能である。
【００２８】
該二つの整流板の外縁部にはそれぞれ外方に向かって延長状態に導風板を構成する。これらの導風板は各々外方に向かって両者の間の間隔が拡開するように構成する。双方の導風板を、相互の間隔が外縁に向かって拡開するように傾斜させて配する、即ち、下方の導風板は外縁に向かって下向き傾斜させ、上方の導風板は外縁に向かって上向き傾斜させるように構成することができる。或いは、上下の導風板の内の一方は水平に延長し、他方のみを外縁に向かって両者の間隔が拡開するように、即ち、例えば、下方の導風板を水平に延長し、上方の導風板を外縁に向かって上向き傾斜させる、或いは上方の導風板を水平に延長し、下方の導風板を外縁に向かって下向き傾斜させるようにすることも可能である。またこれらの導風板は角度を変更可能に構成しておくこともできる。
【００２９】
これらの導風板の内、上向き傾斜の導風板又は下向き傾斜の導風板は、必ずしも直線的に上向き傾斜又は下向き傾斜する物でなければならないわけではなく、例えば、その傾斜角度を外縁に向かって徐々に大きな角度になるように構成することもできる。また導風板に周囲の風の状況に応じて波形等の若干の凹凸を付すことも可能であることは云うまでもない。
こうして該整流板と該導風板とからなる全体の形状は概略板状又は皿状となる。上方のそれは板状又は上向きの皿状であり、下方のそれは板状又は下向きの皿状である。
【００３０】
これらの導風板は、整流板を構成する板材を所定の部位からそのまま延長し、または所定の部位で該当する方向及び角度で折曲して構成し、或いは整流板の外縁部に他の部材を結合して構成することができる。
【００３１】
上下の整流板は適当な構造材でその間隔を保持するようにする。例えば、上下の両者を、前記垂直軸風車の回転に支障とならない位置で、複数の棒材又はパイプ材で結合してその間隔を保持するように構成することができる。該棒材又はパイプ材は、上下の整流板の外縁部付近に、定角度間隔、例えば、１２０度又は９０度等の角度間隔で配するのが適当である。
【００３２】
前記上下の整流板は、前記のように、導風板と一体となって皿状又は板状をなすものであるから、その内、導風板と一体となって皿状に構成した上方の整流板上には雨水が滞留する虞があり、これを除去する手段を必要とする。これは、例えば、該上下の整流板を所定の間隔に保持するための構造材であるパイプ材を利用して構成することができる。該パイプ材の上端を上方の整流板の上面まで貫通させて開口させ、下端を下方の整流板の下面以下まで貫通させて開口させ、上方の整流板の上面上に滞留した雨水を該パイプ体を通じて下方の整流板の下まで流下させるように構成することができる。該パイプ体は更に延長して排水設備まで雨水を流下させるように構成することもできるし、その下端は下方の整流板の下までとし、ここからは適当なホース部材を接続して排水設備まで雨水を流下させるように構成することもできる。
【００３３】
前記発電機は、前記上下の整流板の下方の適当な場所に設置する。またその種類は問わない。一基の垂直軸風車を備えた装置の場合は、その出力軸である回転軸の下方への延長上のいずれかの位置に設置するのが適当である。この場合は入力軸を垂直に立てて該垂直軸風車の回転軸とギアボックス等を介して結合し又は介さずに直接に結合することとすることができる。複数の垂直軸風車を備えた装置の場合は、それらの個々の垂直軸風車に、以上と同様にして発電機を結合し、若しくは、ギア等の伝達手段を介して複数の垂直軸風車の回転力を一つの回転軸に伝達し、該回転軸の回転力をギアボックス等を介して又は介さずに直接に伝達するように結合することができる。通常は、個々の垂直軸風車毎に発電機を結合するのが適当である。
【００３４】
前記垂直軸風車は、その出力軸である回転軸を、例えば、前記上下の整流板に取り付けた軸受に回転自在に支承させることとする。
【００３５】
この垂直軸風力発電装置には、種々の補助回転駆動手段を付設することができる。例えば、これは、前記上下の整流板の下方に筒状の温室空間を構成し、その温室空間の下方に空気の導入口を、上方に空気の吐出口を、それぞれ開口し、更に該温室空間の上下方向途中に補助風車を配し、該補助風車を太陽熱によって加温され該温室空間を上昇する上昇気流によって回転させるようにし、得られた該補助風車の回転力を回転伝達部を介して前記垂直軸風車の回転軸に伝達するように構成することができる。
【００３６】
また前記上下の整流板の内の上方のそれの上面には、太陽電池パネルを設置し、風力発電に加えて太陽電池発電を行うように構成することもできる。上方の整流板は、その外縁部に構成した導風板と一体となって全体として板状又は皿状をなしているが、全体として皿状をなしている後者の場合は、その上部を、導風板の外周径と同径の円板で閉じ、その上に太陽電池パネルを配することとすることもできる。このようにした場合は、太陽光がよりそのパネル面に照射され易くなり好都合である。加えて、そのような場合であっても雨水がその上に滞留する問題も生じなくなる利点が得られる。
【００３７】
従って本発明の垂直軸風力発電装置によれば、当然、この周辺で吹く風は上下の導風板により整流板の間に導かれて、その間の垂直軸風車の回転翼に衝突し、これを回転させることとなる。この装置の周辺で、前記上下の導風板の外縁間の高さで吹いている風は、上下の導風板の外縁間に吹き込むものであれば、これがより間隔の狭い整流板に案内されて増速され、更に整流板で整流されてその間の垂直軸風車の回転翼に衝突し、該垂直軸風車を効率的に回転させることとなる。これは、四方のいずれの方向からの風であれ、或いは強弱及び方向の頻繁に変動する風であれ、タイムラグを発生させることなく同様に作用し、同様に該垂直軸風車の回転のために用いられる。
【００３８】
このように広い範囲の風を集め、かつ空気流動路の乱れを修正することができるものであるため、風の保有するエネルギーを効率よく動力エネルギーに変換することができ、好ましい風力発電が可能となる。
【００３９】
また本発明の垂直軸風力発電装置によれば、商用電源その他電源との連系させて運用し、または単独で運用する等、自由な運用形態で使用することが可能である。更にバッテリと組み合わせ、十分な風力が得られた際に発生する余剰電力を蓄えておき、必要に応じて使用する形態を採用することもできる。
【００４０】
前記のように、上方の整流板の上面に太陽電池パネルを配設した場合は、ハイブリッド発電装置として利用することが可能となる。このようなハイブリッド発電装置は、風力と太陽光との両エネルギーを併用することにより両者が相補的に作用し、好ましい電力供給が可能となる。例えば、無風であっても陽光があれば発電可能であり、夜間や著しい曇天若しくは雨天であっても風力が所定レベル以上であれば発電が可能であるためである。
【００４１】
本発明の垂直軸風力発電装置によれば、その容量は用途に応じて適宜選択できるが、商用電源と連系する運用を採用する場合はできるだけ大容量とすることが望ましい。このような大容量化にあっては、大形の垂直軸風車１基のみで構成することも可能であるが、前記したように、複数基の垂直軸風車及び発電機のセットを併設しこれらを並列運転するように構成することにより容易に対応することができる。
【００４２】
本発明の垂直軸風力発電装置によれば、これを建物の屋上等に設置して有用に用いることができる。特に、陸屋根の建築物上に設置するのに適しており、例えば、コンビニエンストア、スーパーマーケット、ガソリンスタンド、各種商店、オフィスビル、或いはマンション等の屋根に設置することができる。このようにして設置される垂直軸風力発電装置の出力は、これを設置した建物の照明用電源をはじめ、冷蔵・冷凍庫や空調装置の駆動用電源として使用することができる。なお本発明の垂直軸風力発電装置は、これを鉄塔その他の支持物により風力エネルギーの利用しやすい場所に設置することも、当然可能であり、不都合な理由はない。
【００４３】
また本発明の垂直軸風力発電装置によれば、プロペラ形風車に代表される水平軸風車と比較して十分扁平に構成することができるものであるため、台風その他の強風に対する機械的強度の面でも有利となる。
【実施例１】
【００４４】
この実施例１の垂直軸風力発電装置は、図１に示すように、垂直軸風車１と、その上下面に近接して位置する上下の整流板２、３と、該上下の整流板２、３の外縁部から延長した導風板２ａ、３ａと、前記垂直軸風車１の出力軸の回転力で回転駆動される発電機４とを基本的構成要素として構成したものであり、これに、付属要素である、上方の整流板２の上部に配した太陽電池パネル５を付設したものである。
【００４５】
前記垂直軸風車１は、云うまでもなく、水平方向からの風力を回転力に変換する手段であり、この実施例では、該垂直軸風車１としてダリウス形風車を採用した。該垂直軸風車１は、図１に示すように、その出力軸である回転軸６が、上方の整流板２に固設された軸受７及び下方整流板３に固設された軸受８で回転自在に支承されることによって上下の整流板２、３の間に回転自在に配されている。
【００４６】
前記回転軸６は、図１に示すように、下方の整流板３の下方に垂下され、その下端は前記発電機４の入力軸に結合している。
【００４７】
前記上下の整流板２、３は、図２に示すように、円板状に構成したものであり、その直径は前記垂直軸風車１の回転部の直径を上回る寸法に構成してあるものである。これらの整流板２、３は、前記のように、その間に該垂直軸風車１を配してあり、その高さをわずかに越える間隔に設定してある。この間隔は、図１及び図２に示すように、９０度の定角度間隔で両者間に配した間隔保持材９、９…で保持してある。これらの間隔保持材９、９…は上下の整流板２、３の間に導入される風に対する抵抗にならないようにできるだけ細い棒状の部材で構成したものである。ただし、この内の一本の間隔保持材９は、後述する排水管を兼ねたパイプ材で構成してある。
【００４８】
該整流板２、３の周縁（外縁）には、図１及び図２に示すように、ドーナツ状の導風板２ａ、３ａが接続してある。上方の整流板２の導風板２ａは、図１に示すように、外周に向かって斜め上向きに延長した構成であり、前記整流板２と該導風板２ａとからなる全体の形状は皿状となっている。下方の整流板３の導風板３ａは、図１に示すように、その外周に向かって斜め下向きに延長した構成であり、該整流板３と該導風板３ａとからなる全体の形状は下向きの皿状となっている。上方の整流板２と導風板２ａとによる構成と下方の整流板３と導風板３ａとによる構成とは相互に上下対称な形状及び位置の関係となっている。
【００４９】
上方の整流板２は、以上のように、その外縁部の導風板２ａと共に、全体として、皿状をなすため、雨天時にはその上部に雨水が溜まることになる。この雨水は、前記のように、上下の整流板２、３を前記所定の間隔に保持するための間隔保持材９、９…の内の一本をパイプ材で構成し、図２に示すように、その上端を上方の整流板２の上面側に開口させ、下端を下方の整流板３の下まで貫通させ、かつ図１に示すように、その下端にホース部材１０を接続して、流れ落ちる雨水を所定の排水設備まで流下案内させるように構成したものである。
【００５０】
前記発電機４は、前記整流板３及び導風板３ａ以上の各構成要素を支持するハウジング１５の底部に配置し、前記のように、その入力軸に前記回転軸６を結合する。該発電機４としては、前記垂直軸風車１に対応する容量の交流発電機を採用し、図３に示すように、その出力は整流器１１を介してバッテリ１２に接続する。該発電機４の交流出力を整流器１１で整流してバッテリ１２に充電する趣旨である。バッテリ１２は、更に前記太陽電池パネル５とも接続しており、その太陽光発電出力をこれに充電する趣旨である。バッテリ１２はインバータ１３とも接続してあり、一般の交流機器にその蓄えた電力を交流に変換して供給できるようにしてある。
【００５１】
前記ハウジング１５は、有底円筒状の構成要素であり、前記のように、その底部に発電機４を配置する外、その内部で該発電機４の周囲には、前記バッテリ１２等の電源回路要素を収納してあるものである。
【００５２】
前記太陽電池パネル５は、図１及び図２に示すように、前記上方の整流板２の上面上に固設したものである。このとき、排水管を兼ねた間隔保持材９の上部の開口部を塞がないように、その位置を避けて配すべきは云うまでもない。この太陽電池パネル５は、前記し、かつ図３に示すように、前記整流器１１の出力と並列にバッテリ１２に接続し、両者が相補的に作用するようにする。
なお図３中、１４は、逆流防止用のダイオードである。
【００５３】
この実施例１では、このように構成した垂直軸風力発電装置を陸屋根に構成されているビルの屋上に設置して使用することとした。
【００５４】
従ってこの実施例１の垂直軸風力発電装置によれば、この周辺で吹く風を上下の導風板２ａ、３ａにより整流板２、３の間に導き、その間の垂直軸風車１の回転翼に衝突させることにより、これを回転させ、効率的に風のエネルギーを取り出して発電機４を回転駆動し、電力を発生させることができる。
【００５５】
この装置の周辺で、前記上下の導風板２ａ、３ａの外縁部間の高さで吹き、それらの外縁部間に吹き込む風は、相互の外縁部間から徐々に内側に向かって狭くなる導風板２ａ、３ａにより、その内縁部と同間隔の整流板２、３間に案内されて増速され、更に該整流板２、３で好適に整流され、空気流動の乱れが修正された上で、その間に配してある垂直軸風車１の回転翼に衝突することとなる。そのため風の保有エネルギーを効率的に利用して回転動作に変換させることができることとなる。
【００５６】
このような導風板２ａ、３ａによる風の増速案内作用及び整流板２、３による整流作用は、導風板２ａ、３ａ及び整流板２、３が水平全方向に開いたものであり、全方向から風を区別なく取り込むことができるものであるため、水平方向のいずれの方向からの風であっても、タイムラグを発生させることなく、かつ差違を生じることなく、その作用を生じさせることができるものである。更に、それらの増速作用及び整流作用は、強弱及び方向の頻繁に変動する風であっても、同様に生じさせることができるものである。そして増速されかつ整流された風が該垂直軸風車１の回転のために用いられるものであるため、効率的な回転力への変換が行われ、該垂直軸風車１の回転軸６に接続する発電機４が良好に回転駆動され、効率的な発電が行われることとなる。
【００５７】
該発電機４で得られた交流電力は整流器１１で整流されてバッテリ１２に充電される。前記インバータ１３に、この垂直軸風力発電装置を設置したビルの照明器具等を接続して置いた場合は、その必要とする電力がインバータ１３を介して該照明器具等に供給され、その残余の電力が該バッテリ１２に充電されることとなる。風力が弱まって発電機１の出力がそれらの必要とする電力に満たなくなると、バッテリ１２からも補充する電力が併せてインバータ１３側に供給されることとなる。
【００５８】
他方、昼間は、太陽光の強さにより変動するが、前記太陽電池パネル５による発電が補助的に行われ、その出力が、前記発電機４の出力と共に、インバータ１３を介して照明器具等に供給され、或いはその余剰分がバッテリ１２に充電されることとなる。
【００５９】
また雨天時などに前記上方の整流板２上に降った雨水は、前記間隔保持材９、９…の内のパイプ材で構成したそれを通じて流下し、更にホース部材１０を介して図示しない排水設備まで流下案内されることとなり、整流板２上への滞留を回避することができる。
【実施例２】
【００６０】
この実施例２の垂直軸風力発電装置は、図４に示すように、実施例１のそれにアシスト装置（補助回転駆動手段）１６を付設したものである。これを付設するために前記垂直軸風車１の回転軸６を長尺なものに延長して構成し、その下端を最下部に配置した発電機４に結合した点、ハウジング１５をアシスト装置１６の筒状温室１７に代えた点、及び上記アシスト装置１６を付設した点の三点以外は実施例１と全く同様である。従って以下に異なる構成部分についてのみ説明する。
【００６１】
前記アシスト装置１６は、図４に示すように、最下部に位置する発電機４の周囲から前記下方の整流板３の直下まで立ち上げた筒状温室１７と、前記し、かつ図４に示すように、最下部の発電機４まで垂下延長してある回転軸６の途中に結合した補助風車１８とで基本的に構成したものである。
【００６２】
前記筒状温室１７は透明プラスチックで構成した有底円筒状の部材であり、図４に示すように、その最下部には四方に開いた空気の導入口１７ａ、１７ａ…を開口し、かつ最上部には四方に開いた空気の吐出口１７ｂ、１７ｂ…を開口したものである。これは実施例１のハウジング１５をも兼ねる構成要素である。
【００６３】
また前記補助風車１８は、図４に示すように、前記回転軸６の中間付近に取り付けたプロペラ型の風車であり、下方から上方に移動する空気によって、前記垂直軸風車１と同方向に回転するように構成されているものである。この補助風車１８はプラスチック素材により軽量に構成されており、取付手段（回転伝達部）１９を介して該回転軸６に結合されている。なお該回転軸６は、前記のように、前記軸受８から垂下したそれを最下部まで延長し、最下部に配置することとした発電機４の入力軸にその下端を結合したものである。
【００６４】
前記間隔保持材９、９…の内、パイプ材で構成したそれの下端に接続したホース部材１０は、前記筒状温室１７の外面に沿って垂下させ、最下部直上から側方に引き出し、図示しない排水設備まで流下案内させるようにした。
【００６５】
この実施例２では、このように構成した垂直軸風力発電装置を地上から立ち上げて使用することとした。
【００６６】
従ってこの実施例２の垂直軸発電装置によれば、実施例１のそれと全く同様に作用し同様の効果を得ることができると共に、更に前記アシスト装置１６による回転力のアシストを受け、特に天気の良い日には、風力が弱まった場合にも回転を継続することが可能となる利点が得られる。
【００６７】
天気の良い日には、太陽熱により、前記アシスト装置１６の筒状温室１７内の空気が暖められ上昇気流が発生することとなる。この上昇気流が前記補助風車１８に衝突してこれに回転力を発生させ、この回転力を前記回転軸６に伝え、前記垂直軸風車１の回転をアシストする。上昇気流は、最下部の空気の導入口１７ａから引き続き空気が導入され、上昇した空気が最上部の空気の吐出口１７ｂ、１７ｂ…から排出されることにより、継続し得ることとなる。このようなアシスト装置１６による回転アシストは、天気の良い日には継続して行われ、風力の変動により、一時的又は比較的長い間、無風又は無風に近い状態になっても、そのアシストにより、少なくとも回転を継続させることが可能になる。
【実施例３】
【００６８】
この実施例３垂直軸風力発電装置は、図５及び図６に示すように、五基の垂直軸風車１、１…と、その上下面に近接して位置する上下の整流板２２、２３と、該上下の整流板２２、２３の外縁部から延長した導風板２２ａ、２３ａと、前記垂直軸風車１、１…の出力軸の回転力で回転駆動される同数の発電機４、４…とを基本的構成要素として構成したものであり、これに、付属要素である、上方の整流板２２の上部に配した太陽電池パネル５を付設したものである。
【００６９】
従ってこの実施例３は、実施例１と比べて垂直軸風車１の数が五基と増加していること、及びこれに起因して整流板２２、２３のサイズが、実施例１のそれに比べて大きくなり、その平面形状が変わったこと、発電機４の数が増加したことなどが異なるのみで、その動作は同一である。従って以下には異なる部分を中心に説明する。
【００７０】
前記垂直軸風車１は、その数を除いて実施例１のそれと全く同様であり、ダリウス形風車を採用した。五基の垂直軸風車１、１…は、図５及び図６に示すように、平面から見て、中心に一基を配し、その両側に二基ずつを配したものであり、各々はその出力軸である回転軸６が、上方の整流板２２に固設された軸受７及び下方整流板２３に固設された軸受８で回転自在に支承されることによって上下の整流板２２、２３の間に回転自在に配されている。
【００７１】
前記各回転軸６は、図５に示すように、下方の整流板２３の下方に垂下され、その下端はハウジング２５の底部に配した前記各発電機４の入力軸に結合している。
【００７２】
前記上下の整流板２２、２３は、図６に示すように、長方形の四隅を丸めた板状に構成したものであり、その縦横の寸法は、五基の垂直軸風車１、１…を、前記のように、その間に配した状態で、外縁側に余裕を持ったものとする。これらの上下の整流板２２、２３の間隔は、その間に配した垂直軸風車１、１…の高さをわずかに越える程度に設定する。この間隔は、図５及び図６に示すように、各々隅部及び各長辺の中間に配した計六本の間隔保持材９、９…で保持するようにする。これらの間隔保持材９、９…は上下の整流板２２、２３の間に導入される風に対する抵抗にならないようにできるだけ細い棒状の部材で構成する。それらの内の相互に対角線位置にある隅部の二本の間隔保持材９、９は、後述する排水管を兼ねたパイプ材で構成してある。
【００７３】
該整流板２２、２３の周縁（外縁）には、図５及び図６に示すように、四辺形帯枠状の導風板２２ａ、２３ａが接続してある。上方の整流板２２の導風板２２ａは、図５に示すように、そのいずれの部位でも外周に向かって斜め上向きに延長した構成であり、前記整流板２２と該導風板２２ａとからなる全体の形状は皿状となっている。下方の整流板２３の導風板２３ａは、図５に示すように、その外周に向かって斜め下向きに延長した構成であり、該整流板２３と該導風板２３ａとからなる全体の形状は下向きの皿状となっている。上方の整流板２２と導風板２２ａとによる構成と下方の整流板２３と導風板２３ａとによる構成とは相互に上下対称な形状及び位置の関係となっている。
【００７４】
上方の整流板２２上は、雨天時にはその上面上に雨水が溜まることになる。この雨水は、前記のように、上下の整流板２２、２３を前記所定の間隔に保持するための間隔保持材９、９…の内の一本をパイプ材で構成し、図６に示すように、その上端を上方の整流板２２の上面側に開口させ、下端を下方の整流板２３の下まで貫通させ、かつ図５に示すように、その下端にホース部材１０を接続して、流れ落ちる雨水を所定の排水設備まで流下案内させるように構成したものである。
【００７５】
前記五基の発電機４、４…は、前記整流板２３及び導風板２３ａ以上の各構成要素を支持するハウジング２５の底部に各々上方の垂直軸風車１、１…と対応させて配置し、前記のように、その各入力軸に前記各垂直軸風車１、１…の回転軸６を結合する。該発電機４、４…の出力は、図７に示すように、各々に接続した整流器１１を介してバッテリ１２に接続する。該発電機４、４…の交流出力を各整流器１１、１１…で整流してバッテリ１２に充電する趣旨である。バッテリ１２は、更に前記太陽電池パネル５とも接続しており、その太陽光発電出力をこれに充電する趣旨である。またバッテリ１２はインバータ１３とも接続してあり、一般の交流機器にその蓄えた電力を交流に変換して供給できるようにしてある。
【００７６】
前記ハウジング２５は、有底角箱型の構成要素であり、前記のように、その底部に発電機４、４…を配置する外、その内部で該発電機４、４…の周囲には、前記バッテリ１２等の電源回路要素を収納してあるものである。
【００７７】
前記太陽電池パネル５は、図５及び図６に示すように、前記上方の整流板２２の上面上に固設してあるものである。排水管を兼ねた一本の間隔保持材９、９の上部の開口部を塞がないように、その位置を避けて配すべきことは云うまでもない。この太陽電池パネル５は、前記し、かつ図７に示すように、前記整流器１１、１１…の出力と並列にバッテリ１２に接続し、両者が相補的に作用するようにする。
なお図７中、１４は、逆流防止用のダイオードである。
【００７８】
この実施例３では、このように構成した垂直軸風力発電装置を陸屋根に構成されているビルの屋上に設置し、発生電力をビル内の店舗の照明器具、冷蔵・冷凍庫及び空調装置用に使用するものとした。
【００７９】
従ってこの実施例３の垂直軸風力発電装置によれば、この周辺で吹く風を上下の導風板２２ａ、２３ａにより整流板２２、２３の間に導き、その間の５基の垂直軸風車１、１…の回転翼に衝突させることにより、これらを回転させ、効率的に風のエネルギーを取り出して対応する各発電機４、４…を回転駆動し、電力を発生させることとなるものである。
【００８０】
前記整流板２２、２３のサイズが大きく、かつ平面形状が実施例１のそれとは異なるが、その間で導入された風の整流作用が行われること、その周囲の導風板２２ａ、２３ａで広い範囲の風が、その外縁間より間隔の狭い整流板２２、２３間に導かれることにより増速作用が行われるのは実施例１と同様である。また強弱及び方向のしばしば変動する風であっても、問題なく対応可能な点も実施例１のそれと同様である。従ってこれらの整流され増速された風により、整流板２２、２３間に配された垂直軸風車１、１…が効率的に回転駆動されることになる。
【００８１】
五基の垂直軸風車１、１…は、その整流板２２、２３の間に於ける配置と、風向きのと関係で、全てが同一条件とはならないので、各々の風の受け方は異なることとなる。通常、概ね風の方角側に位置する垂直軸風車１が強く風を受け、反対側に位置するそれが弱く受けることになる。全体としては、風を無駄にせず、効率的に回転力に変換し、その回転力を各々発電機４、４…に伝えて良好な発電を行うことができることとなる。
【００８２】
該発電機４、４…で得られた交流電力は各々整流器１１、１１…で整流されてバッテリ１２に充電される。前記太陽電池パネル５の出力もバッテリ１２に充電される。或いは、前記インバータ１３を介して交流電力に再変換されて、前記ビル内の照明器具や空調装置等の電源として用いられる。要するに、過剰発電分がバッテリ１２に充電されることになる。風力の減少等により、発電能力が低下すると、不足分がバッテリ１２から供給されるようになる。実施例１で説明した通りである。
【００８３】
また雨天時などに前記上方の整流板２２上に降った雨水は、実施例１で説明したように、前記間隔保持材９、９…の内のパイプ材で構成したそれを通じて流下し、更にホース部材１０を介して図示しない排水設備まで流下案内されることとなり、整流板２２上への滞留が回避される。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】実施例１の垂直軸風力発電装置の概略正面断面説明図。
【図２】実施例１の垂直軸風力発電装置の概略平面説明図。
【図３】実施例１の垂直軸風力発電装置の電源回路のブロック図。
【図４】実施例２の垂直軸風力発電装置の概略正面断面説明図。
【図５】実施例３の垂直軸風力発電装置の概略正面断面説明図。
【図６】実施例３の垂直軸風力発電装置の概略平面説明図。
【図７】実施例３の垂直軸風力発電装置の電源回路のブロック図。
【符号の説明】
【００８５】
１    垂直軸風車
２、３、２２、２３  整流板
２ａ、３ａ、２２ａ、２３ａ  導風板
４    発電機
５    太陽電池パネル
６    回転軸
７、８  軸受
９    間隔保持材
１０  ホース部材
１１  整流器
１２  バッテリ
１３  インバータ
１４  ダイオード
１５、２５  ハウジング
１６  アシスト装置（補助回転駆動手段）
１７  筒状温室
１７ａ  空気の導入口
１７ｂ  空気の吐出口
１８  補助風車
１９  取付手段（回転伝達部）
【図１】
2005147054.tif 000003
【図２】
2005147054.tif 000004
【図３】
2005147054.tif 000005
【図４】
2005147054.tif 000006
【図５】
2005147054.tif 000007
【図６】
2005147054.tif 000008
【図７】
2005147054.tif 000009